Hur man testar en månlandning från jorden

Månens yta före och efter kraschlandningen av Israels Beresheet-månlandare, som upptäckts av NASA:s Lunar Reconnaissance Orbiter.Kredit: NASA/GSFC/Arizona State University

Både kommersiella företag och nationella rymdorganisationer tävlar för att landa på månen. Japans SLIM Moon lander, den senaste rymdfarkosten att landa på månens yta, är nu i viloläge. Men detta markerar inte slutet på månuppdragen för året. Nästa vecka planerar Intuitive Machines i Houston, Texas, att skicka en landare till månen. Och senare i år siktar Kina och de privata företagen Firefly Aerospace och ispace på att lansera robotiserade månlandare.

Även om månambitionerna kan ha ökat runt om i världen, är det fortfarande en skrämmande utmaning att uppnå en framgångsrik landning med en robotlandare. Fyra av de åtta månlandningsförsöken under de senaste fem åren har misslyckats: Israels Beresheet, Indiens Chandrayaan-2, Japans Hakuto-R och Rysslands Luna 25. Detta understryker det faktum att även om forskare kan testa för vissa eventualiteter innan de skickar en landare till månen, kvarstår många osäkerheter. Natur Ta en titt på några viktiga tester och utmaningar som är involverade i att förbereda en månlandare för sitt uppdrag.

Håller lasten

Som alla rymdfarkoster utsätts månlandningsmoduler för de intensiva, ihållande vibrationerna och dånet från en raketuppskjutning. För att förhindra mekanisk skada testas landaren i akustiska kammare, som har stora högtalarliknande stereohögtalare för att simulera avfyrningsljud, och på skakbord som ger uppskjutningsliknande vibrationer.

Forskare testar också månlandare under de typer av belastningar som kan överföras under landning. Till exempel släppte den indiska rymdforskningsorganisationen (ISRO) benen på sin framgångsrika Chandrayaan-3-landare, Vikram, på testbänkar gjorda av simulerad månjord för att säkerställa att de kunde tolerera en hög vertikal hastighet på tre meter per sekund.

Firefly Aerospace, baserat i Cedar Park, Texas, har genomfört mer än 100 falltester i månjord och sandsimulatorer för att testa benen på sin lander. Firefly siktar på att transportera tio nyttolaster till månen för NASA i slutet av 2024 som en del av rymdorganisationens program för Commercial Lunar Payload Services (CLPS). “Vi testade till och med bendroppar på betong eftersom det är svårare än något vi landar på”, säger William Coogan, chefsingenjör för Fireflys månlandare.

Gör sig redo för rymden

I rymden utsätts landare för nära vakuumförhållanden, snabbrörliga banor och intensivt solljus ofiltrerat av jordens atmosfär. Detta kan göra att landare upplever enorma och snabba temperaturförändringar och kan orsaka strålningsskador på elektroniska komponenter.

För att säkerställa dess strukturella integritet tillbringar varje landare dagar, eller till och med veckor eller månader, i “thermovac”-kammare. Dessa uppnår ett vakuum som liknar det som upplevs i rymden och på månen, simulerar möjliga temperaturförändringar och replikerar till och med ofiltrerat solljus med hjälp av kraftfulla xenonlampor och speglar. Landers inrymmer ofta datorer och elektroniska flygelektroniksystem gjorda av “strålningshärdade” komponenter, som var och en testas inte bara för att motstå de höga mekaniska påfrestningarna från rymdfärd, utan också för att fungera trots att de är bestrålade med de dosnivåer som förväntas i varje uppdrag.

Att skydda månlandare från den hårda rymdmiljön är dock bara en del av historien. Ingenjörer måste också se till att hårdvara och mjukvara fungerar som förväntat. Den ungefär tre sekunder långa förseningen i tvåvägskommunikation mellan jorden och månen gör det omöjligt för ingenjörer på jorden att på ett tillförlitligt sätt vägleda månlandningar. Det betyder att robotlandarna måste arbeta autonomt under sin nedstigning till månen.

Kalpana Kalahasti, biträdande direktör för Chandrayaan-3-projektet, säger att hennes team ägnade större delen av uppdragets utvecklingstid åt att utforma och övervaka testning av landarprogrammen. Dessa inkluderade att utrusta en helikopter med landarens sensorer så att teamet kunde efterlikna olika faser av nedstigningen. Sensorer som användes i den tidigare misslyckade Chandrayaan-2-landaren testades på flygplan. “Eftersom sensortestning på flygplan inte simulerar svävnings- eller låghöjdsflygningsfaserna vid en månlandning, bytte vi till att använda helikoptrar för Chandrayaan-3 för att bättre efterlikna de olika höjderna och hastigheterna”, säger Kalahasti.

Chandrayaan-3-teamet undersökte också om motorerna uppnådde den nödvändiga dynamiska accelerationen under nedstigning och utvärderade navigationssystemets förmåga att sväva och undvika faror innan landning med hjälp av kranbaserade konfigurationer på månliknande terräng.

Andra tester kan omfatta antenntestning för kommunikationsutrustning och optisk testning för kameror. För NASA:s VIPER-rovers nästa uppdrag, som syftar till att korsa stenig terräng vid månens sydpol och leta efter vattenis, körde byrån en modell av sin rover i simulerad terräng med olika sluttningar och bergfördelningar för att testa hjulslirning, häng och dragkraft. . och avgöra hur det fungerade och vad som behövde förbättras.

Simulerade månlandningar

När hårdvara inte kan testas fyller simuleringar luckan. För att få en bättre uppfattning om hur en månlandare kan bete sig, karaktäriserar ingenjörer hårdvarusensorerna och använder dem i simuleringar, säger Coogan.

Uppdragsteam simulerar viktiga milstolpar, som att nå månens omloppsbana, för att identifiera vilka typer av problem en landare kan hantera på egen hand och vilka uppdragskontroll på jorden måste lösa. “Vissa realtidsdata från ett pågående uppdrag matas in i simuleringar för att testa kritiska kommandon innan de skickas till en landare”, säger Laura Crabtree, medgrundare av Epsilon3, en webbaserad test- och operationsplattform för rymdfarkoster som används av flera företag som bygger månlandare. Detta hjälper till att ge ingenjörer en mer tillförlitlig uppfattning om hur landaren kommer att bete sig och reagera i verkliga situationer.

Simuleringar är också ett bra sätt att upptäcka hur ett landningssystem kan misslyckas. “Vi bildade en simuleringsgrupp dedikerad till att karakterisera [Chandrayaan-3] Landarens förmåga att återhämta sig från banor utanför startbanan under nedstigning”, säger Kalahasti. Gruppmedlemmarna simulerade också alternativa vägar som landaren kunde ta om något inte fungerade som förväntat. Och de testade flera extrema landningsscenarier tills systemet misslyckades. När de väl visste gränserna för landaren kunde de ändra den efter behov.

Kända okända

Vissa aspekter av rymdresor, såsom prestandan hos landarens framdrivningssystem, kan dock inte testas på jorden. “Du kan inte simulera viktlöshet,” säger Crabtree. “Tills du avfyrar en thruster kommer du inte definitivt att veta den exakta kraften den ger.” Hon säger att lösningen är att skapa ett system som jämför förväntad mot faktisk dragkraft för att förstå hur mycket landarens prestanda har avvikit. Drivmedelsreserver införlivas för att kompensera för sådana skillnader.

Till exempel kraschade den ryska landaren Luna 25 på månen när den försökte minska storleken på sin omloppsbana den 19 augusti 2023. Den ryska rymdorganisationens undersökning fann att detta berodde på att en motor tändes under 50 % mer än nödvändigt. Felet berodde troligen på att programvaran inte var designad för att prioritera accelerometerdata, vilket skulle ha registrerat att Luna 25 hade uppnått önskad hastighetsändring.

Det är också svårt att i förväg bestämma den säkraste platsen för en landare att landa på. “Under den sista landningsfasen kommer en landare att se nya funktioner som inte finns i de inbyggda omloppsbilderna, inklusive faror”, säger Coogan. Tester på jorden av de egenskaper som en landare kan identifiera representerar bara vissa aspekter av den månliknande terrängen. Av denna anledning testade ingenjörer SLIM:s förmåga att identifiera särdrag i månens omloppsbana innan de började sin nedstigning.

Privata Moonshot-utmaningar

Privata företag som Japans ispace och de som är involverade i NASA:s CLPS-program står inför ytterligare utmaningar. De kan vanligtvis inte investera så mycket pengar eller tid i att testa lander som en statlig rymdorganisation. Detta var uppenbart den 25 april 2023 med olyckan med ispaces första månlandare. Under en presskonferens sa Ryo Ujiie, teknikchef för ispace, att företaget ändrade landningsplatsen strax före lanseringen och att simuleringar som tidigare använts för att testa landarens nedstigning inte använde terräng som representerade de förhållanden som landaren i slutändan stod inför.

Dessa utmaningar kommer sannolikt att öka, för år 2024 kommer företag att tävla om att bli det första privata företaget som framgångsrikt landar på månen. För dessa organisationer finns det en avvägning mellan utvecklingskostnader och kundintäkter, men misslyckande med uppdraget skulle vara värre. “Uppdragsmisslyckanden kan bli mycket kostsamma för ett företag”, säger Coogan.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *